dsPIC及其在交流變頻調(diào)速中的應(yīng)用研究
好的控制效果，具有較高性價(jià)比，有廣泛的應(yīng)用前景。
1 控制芯片dsPIC30F4012介紹
dsPIC30F4012是Microchip公司專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種16位微處理器。它有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP內(nèi)核。當(dāng)內(nèi)部時(shí)鐘頻率為最高120 MHz時(shí)，進(jìn)行一次16位×16位運(yùn)算，為8.3ns；另外包括2048 B的寄存器RAM，48KB的片內(nèi)程序空間，1024 B的EEP—ROM，中斷7個(gè)I／O口共21條I／O口線；有1路全雙工的UART功能模塊，1個(gè)同步串行SPI功能模塊，1個(gè)I2C串行通信模塊和1個(gè)CAN串行通信模塊；片內(nèi)設(shè)有1個(gè)6通道的A／D轉(zhuǎn)換器，工作在10位模式，采樣保持時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、閥值檢測(cè)方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；5個(gè)16位定時(shí)器；有4路捕捉器、2路比較／標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制單元(PWM)模塊；1個(gè)6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器。
dsPIC30F4012片內(nèi)MCPWM電機(jī)專用PWM控制器，是其特色設(shè)計(jì)之一。這一設(shè)置大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過(guò)編程可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，并由RE口直接輸出6路PWM信號(hào)給逆變器，且三相互補(bǔ)不重疊。每個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)電流達(dá)25mA。為防止同一橋臂上2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路，該發(fā)生器還可通過(guò)編程設(shè)置死區(qū)互鎖時(shí)間，在外部時(shí)鐘10MHz經(jīng)內(nèi)部8倍頻后系統(tǒng)時(shí)鐘為80MHz時(shí)，死區(qū)時(shí)間范圍根據(jù)分頻系數(shù)的不同分為：①系數(shù)為1∶1時(shí)，在50ns～3.15μs之間；②系數(shù)為1∶2時(shí)，在100ns～6.3μs之間；③系數(shù)為1∶4時(shí)，在200ns～12.6μs之間；④系數(shù)為1∶8時(shí)，在400ns～25.2μs之間。
2 系統(tǒng)組成及基本算法
2 1系統(tǒng)硬件組成
變頻器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由控制部分和主電路部分組成。主電路部分采用交-直-交變頻方式。三相工頻電壓經(jīng)整流橋整流后，再經(jīng)電容平滑濾波后得到600V直流電壓，送逆變器IPM模塊PM100CVA120的輸入端P、N。IPM模塊是三菱電機(jī)推出的第4代智能功率模塊，內(nèi)部含有1個(gè)三相H型逆變橋的6個(gè)IGBT和6個(gè)快速功率二極管及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。另外，含有過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、報(bào)警輸出等，其所用元件數(shù)量比傳統(tǒng)IPM少得多，相應(yīng)可靠性也得到提高。由于這種帶IGBT驅(qū)動(dòng)電路且具有自診斷功能及保護(hù)功能完善的IPM模塊的應(yīng)用，使本系統(tǒng)體積更小，更可靠，更具智能化。
系統(tǒng)控制部分由dsPIC30F4012微處理器專用系統(tǒng)(包括相應(yīng)軟件)、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等組成，主要完成逆變橋SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)檢測(cè)及故障處理、故障顯示、操縱盒按鍵檢測(cè)及邏輯控制、及時(shí)顯示變頻器頻率等。dsPIC30F4012微處理器是控制系統(tǒng)的核心。它接收外部信息，按預(yù)定算法實(shí)時(shí)計(jì)算三相SPWM波形數(shù)據(jù)，并由它產(chǎn)生三相6路SPWM信號(hào)，從RE口輸
出，然后再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)逆變功率開(kāi)關(guān)，完成三相SPWM逆變。
系統(tǒng)頻率為80MHz，SPWM的正弦控制波頻率由鍵盤設(shè)置，dsPIC30F4012微處理器通過(guò)計(jì)算把存儲(chǔ)在片內(nèi)EPROM中的正弦函數(shù)的數(shù)據(jù)送到6通道的電機(jī)專用PWM控制器。波形發(fā)生器產(chǎn)生的三相互補(bǔ)的SPWM信號(hào)經(jīng)PWMO～PWM5端輸出，送至IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。為保證系統(tǒng)安全工作，逆變器設(shè)置了過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、缺相、短路、過(guò)載等多種保護(hù)功能，所有保護(hù)信號(hào)均通過(guò)一組中斷邏輯送至dsPIC30F4012的FLTA腳。只要任何一路保護(hù)起作用，都將封鎖6通道的電機(jī)專用PWM控制器輸出，禁止三相PWM波的產(chǎn)生，及時(shí)對(duì)IPM驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行封鎖，保護(hù)IPM及其他電路不致?lián)p壞。
2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用規(guī)則采樣法，用軟件方式產(chǎn)生SPWM波，克服了模擬元件實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)。規(guī)則采樣法如圖2所示。圖中用的是中值采樣，以三角波的中值點(diǎn)(底點(diǎn))作為采樣點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正弦波的取值點(diǎn)E，作平行于時(shí)間軸線的直線。該線與三角波的交點(diǎn)為A、B。A、B點(diǎn)間寬度即為PWM波脈寬，用t2表示脈寬，則有關(guān)系：
式中Tc為三角波周期，M為調(diào)制度，ω為正弦波的角頻率，te為采樣時(shí)刻。
三相SPWM的脈寬計(jì)算公式為：
其中T為正弦波的周期。在用微機(jī)產(chǎn)生SPWM波形時(shí)，為使三相SPWM波形對(duì)稱，調(diào)制比N應(yīng)為3的整數(shù)倍。從消除諧波考慮，N越大越好；但N的值要受到功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷頻率和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制。這里采用分段同步調(diào)制的方法，不同頻率段N值不同，將正弦函數(shù)按載波比N離散制成表，并將半載波周期也制成表，微機(jī)通過(guò)查表法與實(shí)時(shí)計(jì)算法相結(jié)合，計(jì)算出脈寬值送入PDCX中去。
PTPER的計(jì)算公式如下：
式中：fosc為晶振頻率；fpwM為MCPWM輸出波形頻率(載波頻率)，fPWM=Nfmin。fsin為正弦調(diào)制波頻率，fsin=1／T。fPWM=1／Tc。系統(tǒng)軟件由主程序、故障中斷子程序、顯示子程序、鍵盤服務(wù)程序、MCPWM中斷、A／D采樣中斷子程序等組成。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，并根據(jù)顯示模式計(jì)算要顯示的數(shù)據(jù)并送顯示，鍵盤掃描及服務(wù)處理，輸入數(shù)據(jù)的碼制變換等。故障中斷子程序中，視故障性質(zhì)完成自處理或故障報(bào)警，封鎖觸發(fā)脈沖、跳閘等。圖3為主程序流程。由于本芯片特點(diǎn)之一是有完善的保護(hù)功能，只要在PTCON命令寄存器中寫(xiě)入相應(yīng)的控制命令字，系統(tǒng)就能在發(fā)生故障時(shí)立即封鎖脈沖。在FLTA中斷服務(wù)程序中，通過(guò)讀取不同的I／O口來(lái)進(jìn)一步識(shí)別是發(fā)生了何種中斷，并顯示。圖4為MCPWM中斷子程序框圖。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的電流波形如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)控制方案正確，諧波得到抑制，控制系統(tǒng)有較好的電流波形。
本文探討了dsPIC30F4012微處理器在交流變頻調(diào)速中的應(yīng)用。利用SPWM技術(shù)原理，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)抑制諧波，信號(hào)產(chǎn)生簡(jiǎn)單方便，易于編程，死區(qū)時(shí)間也通過(guò)軟件編程控制在50ns～25.2μs之間，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，因而有較好的應(yīng)用前景。
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